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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Stereomikroskop nach der Teleskopbauweise,
ausgestattet mit einem Objektiv und zwei dem Objektiv nachgeordneten
Vergrößerungswechslern
zur Vorgabe unterschiedlicher Vergrößerungen während der Beobachtung eines
Objektes.
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In
Stereomikroskopen dieser Bauweise werden zwecks Erzielung des stereoskopischen
Eindrucks zwei getrennte Lichtkanäle durch ein und dasselbe Objektiv
geführt.
Dabei sind vom Objekt aus betrachtet zunächst das Objektiv und nachfolgend,
in zwei parallel zueinander ausgerichteten Strahlengängen, die
der getrennten Beobachtung mit dem linken und rechten Auge dienen,
je ein in der Regel afokaler Vergrößerungswechsler, ein Tubuslinsensystem,
ein Bildaufrichtungssystem und ein Okular vorgesehen.
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Die
Reihenfolge von Bildaufrichtungssystem und Tubuslinsensystem kann
je nach Ausführung
des Stereomikroskops auch umgekehrt sein. Weiterhin können Elemente
zur Ein- und Ausspiegelung von Beleuchtungslicht und von Bildinformationen
vorhanden sein.
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Von
den Anwendern der Stereomikroskope dieser Bauart wird zunehmend
gewünscht,
die Vorteile des räumlichen
Sehens in Verbindung mit großen
Sehfeldern und mit höherer
Auflösung
nutzen zu können.
Das bedeutet: bei hoher Abbildungsgüte soll sowohl die Übersichtsdarstellung
eines Objektes bzw. großer
Objektfeldern als auch, bei hoher Vergrößerung, die Darstellung von
Details kleiner Objektabschnitte möglich sein, ohne daß beim Übergang
von der einen zur anderen Darstellungsweise das Objektiv gewechselt
werden muß.
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Außerdem ist
wird häufig
ein großer
freier Arbeitsabstand zwischen Objekt und Objektiv gewünscht, damit
Manipulationen am Objekt möglichst
unbehindert vorgenommen werden können.
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Aufgrund
dieser Forderungen ist für
die Mikroskophersteller zunehmend der Widerspruch zwischen einer
Verringerung der Brennweite des Objektivs zwecks Erzielung einer
höheren
Auflösung
einerseits und der Gewährleistung
großer
Sehfelder bei einem großen
freien Arbeitsabstand andererseits zu lösen.
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Ein
Ausweg aus diesen sich konträr
gegenüberstehenden
Anforderungen besteht darin, Objektive zu entwickeln, bei denen
die Hauptebene eine vorteilhafte Lage hat, denn eine in Richtung
zum Objekt verschobene Hauptebene hat eine Vergrößerung des Arbeitsabstandes
zur Folge. Ein solches Objektiv ist beispielsweise in
EP 1 369 729 beschrieben.
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Die
Herstellung dieses Objektivs erfordert allerdings einen verhältnismäßig hohen
technologischen Aufwand und verursacht demzufolge hohe Kosten.
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Davon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Stereomikroskope
der eingangs beschriebenen Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß diese
sowohl die Forderung nach möglichst
großem freien
Arbeitsabstand zwischen Objekt und Objektiv als auch die Forderung
erfüllen,
ohne Objektivwechsel von der Übersichtsdarstellung
eines Objektes zur Betrachtung kleinster Details mit hoher Objektvergrößerung übergehen
zu können.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe für
ein Stereomikroskop der eingangs genannten Bauweise gelöst, bei
dem
- – das
vom Objekt kommende Licht in das Objektiv einfällt,
- – von
dem aus dem Objektiv wieder austretenden Licht zwei parallel zueinander
ausgerichtete Lichtbündel in
die Vergrößerungswechsler
eintreten,
- – die
optischen Achsen der Vergrößerungswechsler
in einem festen Abstand B zueinander angeordnet sind,
- – jeder
Vergrößerungswechsler
eine Eintrittspupille für
das ihm zugeordnete Lichtbündel
hat, die einen von der jeweils vorgegebenen Vergrößerung abhängigen Durchmesser
DEP aufweist, und bei dem
- – bei
maximal vorgegebener Vergrößerung die
Bedingung erfüllt
ist DEP > B/1,07.
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Bevorzugt
ist die Bedingung B/1,07 < DEP ≤ B/1,04
erfüllt,
und beide Vergrößerungswechsler
sind so ausgeführt,
daß ihre
körperliche
Ausdehnung senkrecht zu den optischen Achsen in Richtung auf den
jeweils benachbarten Vergrößerungswechsler ≤ B/2 beträgt.
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Für eine besonders
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung gilt die Bedingung DEP = 1,55·B.
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So
kann zum Beispiel vorgesehen sein, daß die Durchmesser DEP jeweils 23 mm betragen und der Abstand
B mit 14,8 mm beträgt.
Dabei haben die beiden Eintrittspupillen in ihrem Querschnitt die
Form zweier aneinander grenzender Kreisabschnitte.
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Der
Erfindungsgedanke geht davon aus, daß die Auflösung für den visuellen Bereich näherungsweise mit
3000·nA
definiert und durch die Beziehung nA = DEP/2·f'Objektiv mit
dem Objektiv und dem nachgeordneten Strahlengang verknüpft ist,
mit nA der numerischen Apertur und f'Objektiv der
Objektivbrennweite.
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Um
den Anforderungen an die gewünschte
Vergrößerung gerecht
zu werden, nämlich
daß einerseits die
Augenpupille nicht überstrahlt
wird und andererseits das Bild durch lokale Störungen in den Okularen und den
Augen nicht über
Gebühr
beeinträchtigt
wird, wird weiterhin die Bedingung zugrunde gelegt ΓMikroskop =
f'Tubus/f'Objektiv·ΓVergrößerungswechsler·250/f'Okular mit ΓMikroskop der
Mikroskopvergrößerung,
f'Tubus der
Tubusbrennweite, f'Objektiv der Objektivbrennweite, ΓVergrößerungswechs ler der maximalen Vergrößerung der Vergrößerungswechsler
und f'Okular der
Brennweite eines Okulars.
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Bezüglich des
Zusammenhangs zwischen numerischer Apertur und maximaler Mikroskopvergrößerung soll
gelten 500·nA ≤ ΓMikroskop ≤ 1000·nA.
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Betrachtet
man das Verhältnis
von der unteren zu der oberen somit vorgegebenen Grenze, so ist
ersichtlich, daß bei
Vergrößerungswechslern
mit einem Zoomfaktor MZomm = ΓVergrößerungswechsler max/ΓVergrößerungswechsler min > 2 eine Änderung
der numerischen Apertur vorliegen muß, damit die Bedingung für die gewünschte Vergrößerung erfüllt ist.
Gegenwärtig
liegen die Anforderungen an den Zoomfaktor eines Vergrößerungswechslers
bei MZoom ≥ 6
mit steigender Tendenz.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Stereomikroskop
gelingt es der Forderung gerecht zu werden, ohne Objektivwechsel
von der Übersichtsdarstellung
eines Objektes zur Darstellung kleinster vergrößerter Details übergehen
zu können.
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Betrachtet
man die Bauelemente, die innerhalb des Vergrößerungswechslers dem Objektiv
am nächsten
liegen, so wird deutlich, daß die
Ausnutzung der optischen Grenzflächen
des von der Tubuslinse erzeugten Zwischenbildes bei hohen Vergrößerungen
für diese
Bauelemente nur wenig variiert. Bei kleineren Vergrößerungen
dagegen liegt der Punkt der engsten Einschnürung aller Strahlen vom Objektiv
aus betrachtet zum Vergrößerungswechsler
hin in Richtung Tubus verschoben.
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Nachfolgend
wird davon ausgegangen, daß das
Objektiv eine sammelnde Wirkung und das (vom Objektiv aus betrachtet)
erste Bauelement im Vergrößerungswechsler
den größten Durchmesser
hat. Dann ist der optisch genutzte Durchmesser an diesem ersten
Bauelement nach dem Objektiv aufgrund des Durchmessers des Achsbüschels an
dieser Stelle abhängig
von der jeweils eingestellten Vergrößerung ΓVergrößerungswechsel am Vergrößerungswechsler.
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Damit
gilt weiterhin, daß der
Durchmesser des Hauptstrahls DHauptstahl =
2·„Maximalhöhe aller
Hauptstrahlen" eine
Funktion der jeweils am Vergrößerungswechsler
eingestellten Vergrößerung ΓVergrößerungswechsler für jedes Bauelement
ist.
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Berücksichtigt
man davon ausgehend, daß die
optischen Achsen der dem Objektiv nachgeordneten optischen Systeme
einen Abstand B zueinander haben, und bildet man B – DHauptstrahl für alle Bauelemente dieser Systeme
und davon das Minimum, so ergibt sich ein Betrag dafür, wie weit
diese Bauelemente an ihrem Umfang beschnitten und einander angenähert werden
können,
ohne daß dabei
der Hauptstrahl seitlich beschnitten wird.
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Bei
bisher bekannten Stereomikroskopen wird bei größtmöglich eingestellter Vergrößerungsstufe ΓVergrößerungswechsler ein
Verhältnis
DEP ≤ B/1,07
erreicht, sofern die in den Vergrößerungswechslern enthaltenen optischen
Bauelemente hinsichtlich Montage und Fassungstechnologien entsprechend
ausgeführt
sind.
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Die
Bedingung DEP ≥ B wird erfindungsgemäß durch
die Beschneidung an den Umfängen
der Bauelemente und deren gegenseitige Annäherung im Mikroskopaufbau erreicht.
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In
einer besonderen Ausgestaltung erfüllt das erfindungsgemäße Stereomikroskop
bezüglich
des Winkels ω,
unter dem das beispielsweise von einem außeraxialen Punkt P kommende
Licht in die Vergrößerungswechsler
eintritt, bei minimal eingestellter Vergrößerung die Bedingung tan(ω) ≥ 0,16.
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In
einer konkreten Ausführungsvariante
ist das erfindungsgemäße Stereomikroskop
ausgestattet mit Vergrößerungswechslern,
die aus mindestens vier optischen Baugruppen bestehen, von denen
zwei Baugruppen bei Änderung
der Vergrößerung relativ
zueinander und zu den übrigen
Baugruppen verschiebbar sind.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
In den zugehörigen
Zeichnungen zeigen
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1 den
prinzipiellen Aufbau eines Stereomikroskops vom Teleskoptyp, wie
im derzeitigen Stand der Technik üblich,
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2 die
schematische Darstellung eines Querschnitts in der Ebene E-E durch
den Strahlengang des Mikroskops nach 1,
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3 den
prinzipiellen Aufbau eines Stereomikroskops nach der vorliegenden
Erfindung,
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4 die
schematische Darstellung eines Querschnitts in der Ebene E-E durch
den Strahlengang des Mikroskops nach 3,
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5 das
Beispiel für
einen Vergrößerungswechsler,
der zur Verwendung im erfindungsgemäßen Stereomikroskop geeignet
ist,
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6 ein
Diagramm zur Ermittlung der maximalen Hauptstrahlhöhe in einem
Vergrößerungswechsler nach 5.
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In 1 ist
der Aufbau eines Stereomikroskops 1 vom Teleskoptyp im
Prinzip dargestellt, wie zur Zeit im Stand der Technik üblich.
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Das
Stereomikroskop 1 dient zur stereoskopischen Betrachtung
eines Objektes 2 und besteht im wesentlichen aus einem
Objektiv 3, welches das vom Objekt 2 kommende
Licht aufsammelt. Auf der dem Objekt 2 abgewandten Seite
tritt das Licht in zwei parallel zueinander ausgerichteten Abbildungsstrahlengängen 4.1, 4.2 durch
zwei Vergrößerungswechsler 5.1, 5.2 hindurch.
Dabei tritt das beispielsweise von einem außeraxialen Objektpunkt P kommende
Licht unter einem Winkel ω in
den jeweils zugeordneten Vergrößerungswechsler 5.1, 5.2 ein.
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Die
Vergrößerungswechsler 5.1, 5.2 ermöglichen
es dem Benutzer, während
der Beobachtung des Objektes 2 unterschiedliche Vergrößerungen
einzustellen. Der Winkel ω ist
von der mit den Vergrößerungswechslern 5.1, 5.2 vorgegebenen
Vergrößerung abhängig und
variiert mit der Änderung
der Vergrößerungseinstellung.
Der Winkel ω erreicht
seinen maximalen Wert, wenn die schwächste Vergrößerung eingestellt ist. In
dem hier gewählten
Ausführungsbeispiel
erfüllt
der Winkel ω bei
minimal eingestellter Vergrößerung die
Bedingung tan(ω) ≥ 0,16.
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Den
Vergrößerungswechsler 5.1, 5.2 in
den Abbildungsstrahlengängen 4.1, 4.2 nachgeordnet
sind jeweils ein Tubuslinsensystem 6.1, 6.2 sowie
ein Okular 7.1, 7.2.
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Die
in der Ebene E-E liegenden Eintrittspupillen der Vergrößerungswechsler 5.1, 5.2 haben
jeweils einen Durchmesser DEP, der ebenfalls
von der an den Vergrößerungswechslern 5.1, 5.2 eingestellten
Vergrößerung abhängig ist.
Der Durchmesser DEP erreicht seinen maximalen
Wert, wenn die maximale Vergrößerung eingestellt
ist.
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2 zeigt
die schematische Darstellung eines Querschnitts in der Ebene E-E
durch den Strahlengang des Mikroskops nach 1. Zu erkennen
sind hier die Hauptachse 8 des Objektivs 3 und
die symmetrisch zur Hauptachse 8 liegenden Abbildungsstrahlengänge 4.1, 4.2 mit
ihren optischen Achsen 9.1 und 9.2.
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Die
optischen Achsen 9.1 und 9.2 der beiden Abbildungsstrahlengänge 4.1, 4.2 sind,
wie ebenfalls aus 2 ersichtlich, in einem Abstand
B zueinander angeordnet. Die Durchmesser DEP der
Eintrittspupillen sind hier bei maximal eingestellter Vergrößerung dargestellt
und haben damit ihren maximalen Betrag erreicht. Wird die Vergrößerung kleiner
gewählt,
werden auch die Durchmesser DEP der Eintrittspupillen
kleiner.
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Aus 2 ist
weiterhin ersichtlich, daß die
Eintrittspupillen bei maximalem Durchmesser DEP einen
Abstand b zueinander haben. Diese Konfiguration ergibt sich aus
der Tatsache, daß bei
Stereomikroskopen nach dem Stand der Technik stets die Bedingung
erfüllt
ist DEP ≤ B/1,07.
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Erfindungsgemäß ist nun
abweichend vom Stand der Technik vorgesehen, daß bezüglich des Abstandes B und des
Durchmessers DEP der Eintrittspupillen bei
maximal eingestellter Vergrößerung die
Bedingung erfüllt
ist DEP > B/1,07.
Konkret gilt in dem hier gewählten
Ausführungsbeispiel
DEP = 1,55·B.
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Damit
ergibt sich für
das Stereomikroskop 1 ein Aufbau wie in 3 dargestellt.
Zur Erläuterung
der Darstellung in 3 werden die Bezugszeichen,
die bereits in 1 verwendet worden sind, beibehalten.
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Zu
erkennen ist in 3, daß der Abstand B zwischen den
optischen Achsen der Abbildungsstrahlengänge 4.1, 4.2 im
Vergleich zu der Darstellung nach 1 geringer
ist.
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Die
hier gewählte
Beziehung DEP = 1,55·B soll anhand 4 verdeutlicht
werden. In 4 ist zu erkennen, daß der Abstand
B zwischen den optischen Achsen 9.1, 9.2 der Abbildungsstrahlengänge 4.1, 4.2 kleiner
ist als ein Durchmesser DEP, was zur Folge
hat, daß die
Pupillen in den beiden Abbildungsstrahlengängen 4.1, 4.2 jeweils
die Form eines Kreisabschnittes haben. Die Durchmesser DEP der Eintrittspupillen betragen hier jeweils
23 mm, der Abstand B ist mit 14,8mm ausgeführt, was der Beziehung DEP = 1,55·B entspricht.
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Es
sei nochmals betont, daß sich
diese Darstellung auf die größtmöglich einstellbare
Vergrößerung bezieht.
Wird die Vergrößerung kleiner
gewählt,
werden die Kreisabschnitte größer, da
sich die Durchmesser DEP der Eintrittspupillen ändern. Mit
weiter verringerter Vergrößerung werden
sie wieder kreisrund.
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Diese
erfindungsgemäße Bauweise
erfordert die Beschneidung optischer Bauelemente in den Vergrößerungswechslern
an deren Umfang. Der damit verbundene Lichtverlust liegt bei ca.
50% und kann insofern noch akzeptiert werden.
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Diesem
Nachteil stehen wesentliche Vorteile gegenüber, die darin bestehen, daß der Durchmesser
der Austrittspupille des Objektivs bei gleicher Auflösung gegenüber dem
Stand der Technik verringert werden kann und damit eine Kostenersparnis
eintritt, oder bei konstantem Abstand B mit einer Vergrößerung der
Austrittspupille des Objektivs die Auflösung gesteigert werden kann,
ohne die Modularität
für Tuben
und Zwischentuben, die auf dem Abstand B basieren, zu beeinträchtigen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Stereomikroskop
ist außerdem
vorgesehen, daß der
Winkel ω bei
minimal eingestellter Vergrößerung die
Bedingung erfüllt
tan(ω) ≥ 0,16.
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In 5 ist
ein Vergrößerungswechsler
dargestellt, der besonders vorteilhaft zum Aufbau eines erfindungsgemäßen Stereomikroskops
geeignet ist.
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Dieser
Vergrößerungswechsler,
der eine Baulänge
von 130 mm aufweist, besteht aus vier optischen Baugruppen, die
objektseitig beginnend mit LG1 bis LG4 bezeichnet sind. Dabei sind
die Baugruppen LG2 und LG4 in Relation zu den beiden übrigen Baugruppen
LG1 und LG3 in Richtung der optischen Achse beweglich. Sie können zu
diesem Zweck mit Antrieben, beispielsweise mit Schrittmotoren, gekoppelt
sein.
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Die
Konstruktionsdaten für
diesen Vergrößerungswechsler
sind nachfolgend angegeben:
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Bei
diesem Vergrößerungswechsler
liegt der Anfangswert der Vergrößerung bei
0,32 und der Endwert bei 4,0. Der Vergrößerungsbereich trägt somit
12,5x. Für
die Vergrößerung bei
0,32 wird tan(ω)
= 0,18 erreicht. Damit ist die Bedingung tan(ω) ≥ 0,16 erfüllt. Ausgewählte Vergrößerungen ergeben sich bei folgenden
Abstandseinstellungen:
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Aus
dem in 6 dargestellten Diagramm kann die maximale Hauptstrahlhöhe ermittelt
werden, die in dem gewählten
Ausführungsbeispiel
bei 7,4 mm liegt. Diese Hauptstrahlhöhe wurde der Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Stereomikroskops
zugrundegelegt. Hieraus ergibt sich der ausgeführte Abstand B = 14,8 mm bei
dem Durchmesser DEP= 23 mm der Eintrittspupille.
In 6 bedeutet LOG(Vergrößerung) die mathematische Funktion
des Logarithmus.
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- 1
- Stereomikroskop
- 2
- Objekt
- 3
- Objektiv
- 4.1,
4.2
- Abbildungsstrahlengänge
- 5.1,
5.2
- Vergrößerungswechsler
- 6.1,
6.2
- Tubuslinsensysteme
- 7.1,
7.2
- Okulare
- 8
- optische
Hauptachse des Objektivs
- 9.1,
9.2
- optische
Achsen der Abbildungsstrahlengänge
- B
- Abstand
zwischen den optischen Achsen
- b
- Abstand
zwischen den Eintrittspupillen
- DAP
- Durchmesser
der Austrittspupillen
- DEP
- Durchmesser
der Eintrittspupillen
- ω
- Winkel
